注浆加固陈相军讲授讲义Word文件下载.docx
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12、注浆在农田水利中的应用;
13、注浆处理灌注桩基础的虚土,桩的承载力提高50%;
14、高速铁路、公路路基的注浆加固;
15、机场停机坪和跑道的注浆加固;
16、工程开挖中各邻近地下管道的加固保护;
17、围护结构接头处渗漏水的处理(地连墙、咬合桩等)
18、垃圾处理厂基底隔离防渗加固;
19、隧道工程中的应用;
1)、盾构隧道盾构始发和达到竪井的围岩防水和加固;
2)、盾构稳定切削面得加固;
3)、盾构施工防止地表沉降盾尾回填和背后注浆加固;
4)、盾构穿越沼气带时形成注浆隔绝环及诸浆排气等;
5)、曲线顶管施工中的转弯处为提高地层抗力而住浆加固;
6)、沉管隧道工程中的基础及防渗漏加固;
7)、铁路、公路施工中为边仰坡稳定而地表注浆加固及掌子面全封闭超前预注浆加固与防水;
8)、软弱围岩隧道施工中的先注后挖法的注浆加固等。
三、注浆作用机理。
1、注浆理论分析
1)、注浆理论基础
(1)浆液的可注性
根据尺寸效应定理,进行渗透注浆的前提是满足浆材对空隙的尺寸效应,即假定粒状浆材的颗粒尺寸为d,地层的空隙尺寸为
,则浆液渗入空隙的前提条件为
式中:
—净空比。
一种迄今流行的理论认为,当净空比
≥3时,用下式作为渗入性注浆设计注浆材料的基础。
(2)砂砾石注浆
目前尚无有效方法可以测出地层的空隙
值,需采用数学方法加以估算,有效孔隙比的计算公式如下:
—砂砾石的有效孔隙比;
—砂砾石的颗粒直径。
由于河床砂砾石一般都受过比较充分的摩擦。
试验证明,河床砂砾由于颗粒大小混合而堆积得比较紧密,其有效孔隙比多变化在0.195~0.215之间,计算时取平均值0.2,于是上式可以简化为:
因此,评价砂砾石可注性的简化公式为:
该式被国内外广泛采用。
(3)、裂隙岩石注浆
在岩层中钻孔取样虽然比在砂砾石层中容易,但想从岩芯中得到有关空隙尺寸的准确资料目前仍很困难。
以下为根据一般水文地质资料估算空隙尺寸的近似方法,可供注浆时参考。
设一宽度为
的平面裂隙被半径为
的钻孔垂直地穿过并用压力
进行压水,则该裂隙的吸水量可按下式进行计算:
式中
—裂隙吸水量,
;
—裂隙宽度,㎜;
—水的粘度,厘泊;
—水的扩散距离,m;
—压水压力,MPa;
—钻孔半径,cm;
可注比值
的估算公式
MtchellJ.K.给出以下可注比值
的估算公式(见下表)
影响渗入注浆可注性的主要因素还有浆液的粘度。
粘度越大,流动阻力也越大,能灌注的尺寸也越大,或需要用较高的压力以克服其流动阻力。
可注比
土层
岩层
>
24
持续可注性
11
5
<
不可注
6
2
注:
、
—土体颗粒分析试验求得的粒径级配曲线中15%和10%的颗粒直径;
—根据将材颗粒分析试验求得的粒径级配曲线中85%和95%的颗粒直径;
—岩层裂隙的宽度。
(3)浆液在岩层中的运动形式和规律
浆液在岩土层的运动和凝胶规律是根据地层性质及其导浆结构、浆液类型及流线特性、注浆方式和参数选取而决定的,一般浆液运动形式和规律分两大类。
孔隙性岩土层渗透注浆
孔隙性岩土层是由许多相互连通的网状孔隙而形成的导浆系统。
当浆液材料与孔隙通路相适应,在注浆压力不大的条件下,浆液以渗透方式注入孔隙。
这时,浆液的运动形式是渗透—扩散—胶凝,最后将松散的固体颗粒胶结成整体。
这种注浆,浆液流动符合液体渗流定律,浆液是以注浆孔为中心向外扩散。
在注浆过程中,注浆压力克服浆液流动的粘滞阻力和自身的凝胶阻力,随着浆液扩散距离的延长和注浆时间的延续,阻力增加,注浆压力逐渐升高,直到浆液的扩散范围达到设计要求时,即可停止注浆。
注浆压力和扩散半径、浆液粘度、松散岩土的颗粒直径和形状、级配等因素有关。
(4)、裂隙岩层渗透注浆
由几组裂隙相互切割连成网状裂隙而形成的导浆系统,根据浆液性质不同,运动可分为:
溶液类和胶体类浆液的运动规律
这种浆液的流动规律符合渗透定律,浆液的流动、扩散和凝胶规律与前述相似。
悬浊浆液的运动规律
从整体上看它仍服从渗流定律,但从微观上看,悬浊浆液在裂隙这种中的流动可以认为是固体颗粒的水力运输。
浆液逐渐凝固硬化成结合体,由于结石率小于1,故岩层内仍有一定间隙,因此,加大注浆压力,这会使原有裂隙有所扩大,注浆后扩大的裂隙回缩,能使裂隙完全封闭。
而且由裂隙回弹产生的压力是大面积的法向正应力,它能在厚度仅为1mm左右的浆层中造成巨大的压力梯度,对浆液的排水固结特别有效。
萨巴得提出,在平均注浆压力
作用于裂隙面为半无限弹性介质的岩体上,注浆孔荷载作用中心位置的岩石弹性变形,可依下式计算
在注浆方向上的裂隙边缘变形量为:
—荷载中心位置裂隙变形,m;
—岩石弹性模量,MPa;
—岩石泊松比;
—径向注浆距离,m;
—平均注浆压力,MPa。
(5)、管道型注浆
孔隙性岩层人工压裂管道型注浆
孔隙性岩层内,由于浆液材料与孔隙通路不相适应或采用了高压注浆,浆液不能以渗透方式逐渐注入到孔隙中去,而是继续在注浆压力作用下,当压力升高到一定高度,便在地层的薄弱部位形成压裂脉状管道导浆系统。
这种注浆也称为劈裂注浆。
浆液的运动过程是压裂—流动—凝胶,如此反复多次,直到形成树枝状或脉状切割的胶凝带而不再被压裂为止。
与此同时,松散地层被压密,渗透系数减小,地层透水能力降低。
因此,地层强度有所提高,可起到阻水、防渗、截流、固结的作用。
注浆压力起压裂地层,扩大浆液通道及克服流动阻力的作用。
在实施过程中其变化规律是:
压力开始上升,地层压裂后压力下降,同时浆液扩散距离受胶凝时间和浆液粘度的影响;
浆液凝胶后再加大注浆压力,浆液凝胶后的地层再压裂,形成新的通道;
如此反复多次,压力一次比一次升高,直到地层压密达到设计要求的渗透系数和扩散半径决定于浆液凝胶时间,所以,注浆参数是根据经验和试验决定的。
(6)、岩溶层管道型注浆
浆液在裂隙中的运动是按管道流方式进行,其特点是流动—扩散—凝胶。
注浆压力是用来克服浆液与岩壁间的摩擦阻力、粘结力和局部(弯曲、变径)阻力以及静水压力。
管道流动阻力比渗流要小,因此,浆液扩散范围较远。
为避免浆液流失,一般采用低压灌注,间歇注浆,并控制凝胶时间。
注浆压力与管道直径、注浆流速、扩散距离、浆液性质以及岩壁粗糙程度和弯道大小、变径情况等因素有关。
可根据管道流压力降公式计算,或反求扩散半径,由扩散半径控制凝胶时间。
2)渗透注浆理论
渗透型注浆取决于三个基本要素,即浆液流变学特性,渗透流线特性。
浆液的流变学特性
该式称为浆液的物理方程。
浆液的流线特性
其特性曲线和基本方程如表
浆液流变特性曲线和方程
流线形态
层流
紊流
雷诺数
10
10~100
100~2000
渗流特性
线性
非线性
特性曲线
基本方程
线性渗流定律
达西定律
非线性渗透定律
哲才公式
福熙海麦公式
浆液在地层中的扩散形态
浆液在地层中的实际扩散形态相当复杂,很难使它按照需要实行人工控制。
它主要受地层的矿物组成、软硬程度和其中的空隙形态所制约。
根据注浆机理大体上可分成脉状扩散和渗透扩散两种。
脉状扩散是浆液沿着地层原有的和因劈裂形成的裂隙通道扩散扩散,其形式类似于脉管;
渗透扩散是浆液沿着地层岩土、砂颗粒之间的孔隙均匀扩散基本上不改变地层颗粒位置,类似于水在其中渗透。
一般说来,在裂隙岩层中注浆,浆液多呈脉状扩散,只有在溶洞充填物、断层破碎带和软弱夹层、砂、砾土中才可能会有部分渗透扩散。
浆液的扩散形式。
虽然实际上浆液在扩散中其表面是不规则的,但在理论计算仍按均匀扩散考虑。
扩散形式有柱面、球面、柱面—半球面三种,如下图所示。
浆液在地层中的扩散形态
3)压密注浆理论
压密注浆是指通过钻孔在土中注入极浓的浆液,随着注浆量的增加,在持续压力作用下在注浆点使土体压密而形成浆块。
压密注浆的主要特点之一,是它在较软弱的土体中具有较好的效果。
此法最常用于中砂层,粘土地层中若有适宜的排水条件也可采用。
可发现和加固最软弱的土体带。
经实践得出:
注浆体的扩大会导致土体内出现复杂的径向和切向应力体系。
在紧靠浆体处的土体存在大的破裂、剪切和塑性变形带。
这一带的土体密度由于挠动而降低。
随着从土体到浆体的增加,土体变形主要为弹性变形,而土体密度有明显的增加。
4)劈裂注浆理论
劈裂注浆指在压力作用下,浆液克服地层的初始应力和抗拉强度,引起岩石土体结构的破坏和挠动,使其沿垂直于小主应力平面上发生劈裂,使地层中原有的裂隙或孔隙、浆液的可注性和扩散距离都增大,而所有的注浆压力相对较高。
在岩层中,一般假定地层为一各向同性、均匀连续的线性弹性体,因而可用下述方程表达钻孔井壁处开始发生水力劈裂的条件:
*垂直劈裂
*水平劈裂
—注浆压力,MPa;
—由岩石重量产生的垂直应力,Pa;
—岩石的泊松比;
—侧压力系数;
—岩石的抗拉强度,MPa;
—用来扩张孔劈的液体压力比例系数,与地层渗透性和浆液粘度等有关,变化在0~1之间,对不透水岩石
值等于1,透水性较大的岩石
值接近零。
在实际注浆过程中却常常发生水力劈裂,其主要标志是注浆时岩层表面出现不同程度的上抬或耗浆量突然增加。
出现低压劈裂的现象是因为岩层存在不同形式的软弱构造。
四、注浆材料的分类及选定
1、注浆材料的分类
根据注浆材料的使用范围和效果等因素可分为四大类:
1)水玻璃浆材。
目前可以说(特别是酸性和中性水复合型水玻璃、气液反应型水玻璃及水玻璃+水泥类等)的使用率极高,其中以日本和东南亚各国及台湾、香港等地区为最。
2)水泥类浆材:
(普通水泥、超细水泥、湿磨水泥、硅粉)的使用在国际上也较为普遍。
3)高分子浆材。
在日本一些国家除殊情况外一般不太使用,但在俄国和东欧一些国家依然使用。
4)水泥加膨润土浆液。
以法国为代表的欧洲国家都习惯于先注水泥、膨润土其目的是充填大的空隙,使地层均质,以防地下水造成的浆液流失和稀释然后,注入胶结时间长且渗透速度慢的水玻璃浆液,构成阻止颗粒间的渗透帷幕,使强度有一定提高,必要时注入高分子浆材进一步提高强度。
2、注浆材料的选定
1)注浆材料应根据堵水要求、加固要求,以及是否作为永久性支护结构等方面,并从无毒性、无污染这一角度综合考虑进行选择。
目前国内外常用的注浆材料可基本分为水泥基浆液和非水泥基浆液。
水泥基浆液是指以水泥为基本主要材料所配制的浆液。
常用的有普通水泥单液浆、超细水泥(MC)单液浆以及特制硫铝酸盐水泥(HSC)浆等等。
非水泥基浆液是指水泥基浆液以外的其它注浆材料,例如改性水玻璃、环氧树脂等等。
隧道所用的注浆材料应满足耐久性和环保的要求,水泥基浆材具有耐久性好、无毒无污染等优点,因此注浆材料宜以水泥基浆材为主。
2)、普通水泥单液浆
普通水泥中按比例加入一定量的水及相应的外加剂经搅拌而成的浆液称为普通水泥单液浆,其主要特点是结石体具有较高的抗压、抗剪强度,能有效地提高地层的承载能力,且其抗渗性能好,材料来源丰富,价格低廉,注浆工艺相对简单;
但由于其颗粒粒径大,在致密的粘土和砂层及微小裂隙条件下渗透困难,而且其凝胶时间不易调节,注浆过程中浆液易流失,因此其应用受到一定的限制。
单液水泥浆的配比和结石体的主要性能如下表。
单液水泥浆的配比和结石体的主要性能
性能
水
灰
比
粘度
(s)
密度
(g/cm3)
凝胶时间(h-min)
结石率
(%)
抗压强度(MPa)
初凝
终凝
3天
7天
14天
28天
0.5:
1
139
1.86
7-41
12-36
99
4.14
6.46
15.3
22.0
0.75:
33
1.62
10-47
20-33
97
2.43
2.60
5.54
11.27
1:
18
1.49
15-56
25-27
85
2.00
2.40
2.42
8.90
1.5:
17
1.37
16-52
35-47
67
2.04
2.33
1.78
2.22
2:
16
1.30
17-07
48-15
56
1.66
2.56
2.10
2.80
1、采用42.5R普通硅酸盐水泥;
2、测定数据均为平均值。
通过观察分析,我们发现普通水泥单液浆具有以下特点:
①颗粒粒径大,可渗透注入0.5mm的裂隙和及平均粒径1mm以上的砂子;
②凝胶时间长,具有较长的可注期;
但凝胶时间不易调节,初凝时间长。
③胶结体具有较高的抗压强度,但结实体收缩率较大。
3)、超细水泥(MC)单液浆
超细水泥(MC)是指水泥中的最大颗粒不超过20μm,经过特殊磨细加工的水泥,能渗入细砂层和岩石的细小裂隙中。
超细水泥浆液性能稳定,其析水性、流动性都比普通水泥有显著改善,浆液结石体具有较高的强度和耐久性。
下表是不同配比的超细水泥浆的基本性能。
不同配比的超细水泥浆的基本性能
水灰比
抗分散性
%
1天
0.6:
100
2-10
4-05
94
4.4
20.5
24.2
29.2
0.8:
92
4-20
6-50
90
1.3
7.0
17.1
5-30
7-30
60
3.4
5.6
抗分散性是指将一定重量的浆液倒入流速为0.1m/s的水中,注浆材料的留存率,下同。
通过实践观察分析,超细水泥单液浆具有以下特点:
①初凝和终凝时间比普通水泥有所缩短;
②固结体抗压强度较高,具有早强、高强的特点;
③抗分散性较好;
④颗粒粒径小;
⑤水灰比较大时,结石体略有收缩。
4)普通水泥-水玻璃双液浆
普通水泥-水玻璃双液浆具有材料来源广、价格适宜、凝胶时间可控等优点,但由于其胶结体后期强度低,耐久性差,受水长期浸泡容易分解,不适合长期堵水和加固围岩。
不同配比的浆液特性见下表。
不同配比的浆液特性
W:
C
C:
S
水玻璃浓度
凝胶时间
(Be’)
0.3
30
11.0″
5.8
6.7
7.4
10.2
0.5
13.3″
5.5
6.5
7.3
9.7
0.7
16.6″
5.3
9.3
20.5″
4.9
6.4
6.9
9.0
14.4″
6.2
8.4
9.6
19.1″
5.0
6.1
8.3
9.1
23.0″
4.8
5.9
8.1
8.5
26.8″
4.2
5.7
7.9
8.0
15.9″
4.5
4.7
7.8
20.4″
3.7
3.9
24.4″
3.1
3.6
31.5″
2.8
25.5″
2.4
32.7″
2.3
2.9
3.5
38.0″
1.8
2.5
3.3
48.4″
1.6
水泥与水玻璃进行化学反应,有一个强度比较高配比,在此配比下反应充分,结石体强度较高。
试验结果如下图,其曲线代表了水玻璃波美度在(30~45)之间,在不同水灰比下的综合曲线之趋势。
试验条件:
水泥为32.5R普通硅酸盐水泥,测试温度为23~23.5°
C。
水泥浆与水玻璃浆体积比对浆液28天强度影响
从上图中可以看出,在相同的水灰比条件下,当水泥-水玻璃的体积比为0.3~0.8时,结石体强度较高,此外,在水泥-水玻璃配比一定的条件下,水灰比减小,结石体强度提高。
通过试验观察分析,普通水泥-水玻璃双液浆具有以下特点:
①凝胶时间短且容易控制,具有早强的特点;
②浆液配制容易,可注性较好;
③胶结体后期强度低,耐久性差,受水长期浸泡容易分解;
④胶结体收缩率大。
5)、特制硫铝酸盐水泥(HSC)单液浆
特制硫铝酸盐水泥(HSC)主要由特制硫铝酸盐熟料、石膏、硅粉、减水絮凝剂等组成。
HSC浆具有良好的抗分散性和早强、高强的性能,并且具有微膨胀性,胶结后,能有效封堵出水通路,堵水效果较好。
表3-7列出了不同配比下的浆液特性。
不同配比浆液性能
性
0-55
1-13
98
13.5
17.6
20.4
26.1
1-00
1-20
96
14.0
18.0
20.0
1.2:
1-30
2-00
9.5
16.0
2-30
3.0
6.0
6.8
10.0
HSC即分散型硫铝酸盐超细水泥。
通过实践观察分析,HSC具有以下特点:
①抗分散性好;
②抗压强度高,具有早强、高强的特点;
③结实率高,并具有微膨胀性。
④水灰比大时,抗分散性能有所下降;
⑤凝胶时间太短时,可注性和可操作性变差。
6)、TGRM特种水泥
TGRM是一种凝胶时间可调的超早强平灌浆料,其显著特点是具有超早强、高强、微膨胀性和密实、可灌性好的特性,且使用简单,可灌性好,无需振捣。
其相应的性能如下表
TGRM注浆材料性能
项目
(min)
抗折强度(MPa)
外加剂含量(‰)
1h
1d
3
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